2016 VOL.26

Review�

�
写真位置�
削 除 し ないでください�

金型仕上げ加工における加工面除去状態
金型仕上げ加工における加工面除去状態�
観測手法の開発
観測手法の開発�
�

金子
*
金子�順一
順一

J. Kaneko
１．まえがき２．実験方法� 多軸制御切削加工機の普及に伴い，金型の自由曲面に対� ���� 被削物の急速後退による除去深さ推定�

して，加工面に対する工具姿勢を選択的に設定して仕上げ� 工具切れ刃の各部分が 1 回の通過中，それぞれの回転角加工を行うことが一般的になりつつある．一般にボールエにおいて被削物を除去した深さを推定するため，本研究でンドミルを用いた仕上げ加工においては，加工面に対するは工具切れ刃が 1 回の通過で被削物に与えた切削痕を直工具の相対姿勢，ピックフィード方向・幅，工具 � 刃あた接観測するための実験機器を開発する．図１に示すように，り送り量，工具回転角位相差等の条件が加工面の性状に大軸方向およびピック方向の切込量が小さい切削加工では，きな影響を与える．これらの関係については以前よりさま工具が一回転する間に工具刃が被削物への切削を行う工ざまな検討が行われており，高送り時のカッターマークに具回転角の範囲はごく一部となる．そこで被削物をピエゾよる表面粗さ生成の幾何的解析や，工具相対姿勢の変更にステージ上に直接固定し，工具刃が被削物を除去してからよる面性状変化の傾向等が報告されている．�

次の工具刃が除去を開始するまでの時間内に被削物をピ� ところで，近年の主軸の高速化に伴い，高品位な仕上げック方向と同じ向きに急速後退させることを考える．これ

面の創成においては工具 � 刃あたりの送り量が非常に小により，直前の工具一刃の通過によって与えられた加工面さな切削条件が広く用いられつつある．この種の切削条件の形状を計測することが可能となると期待される．また，では，加工後に残る面の大部分は被削物への工具刃の切込実験時工具上にある複数の工具刃がそれぞれ同様の切込が工具刃先の丸み半径よりも小さい状態で創成される．こ状態のもとで安定的に切削を行っていた場合，図２に示すのとき，工具刃先の逃げによる面全体の目標形状からのずように工具一刃分の送り量だけずらして加工面の形状をれや，被削物除去状態の遷移による面性状の悪化を予測す重ね合わせることにより工具刃各部の各回転角におけるるためには，弾性変形による工具刃の逃げや加工面誤差の実際の除去深さの推定が可能になると期待される．

再生といった現象を考慮して工具刃先各部分における切込の状態を推定する必要がある．しかしながら，多軸制御切削加工を対象とした精密な被削物除去深さの解析は未だ行われておらず，工具姿勢の変化が切削抵抗や加工誤差にもたらす影響には不明な点が多い．�
� 筆者は，過去にスクエアエンドミル加工の誤差予測で提案した被削物除去モデルを導入し，ボールエンドミルによる仕上げ加工において加工面を工具刃が創成する瞬間の被削物除去深さおよび切削抵抗を推定する手法 ��を提案している．これまでの推定結果では，小径工具を用いた微図１� 実験装置の位置関係と座標軸の定義

小送り条件での傾斜面切削においては，被削物に与えられる加工面形状の大半が塑性変形状態に相当する除去状態で創成され，その結果加工誤差が大きく増加する傾向にあると推定されている．そこで本稿では，この種の除去状態の遷移が実際の仕上げ加工において加工面に与える影響を検証するため，工具一刃の通過によって加工面に与えられる切削痕を直接計測する実験方法の開発と，工具切れ刃の各位置と各工具回転角における被削物除去量の変化を観察した結果について述べる．�
図２� 工具切れ刃通過位置の比較による除去深さ推定�* 埼玉大学大学院 理工学研究科准教授- 38 -�2016 VOL.26

High speed spindle� ���� 実験装置�
� 本研究で用いた実験機器の構成を図 3 に示す．小型 NCフライス(オリジナルマインド miniCOBRA2520)上にピWエゾステージ(シグマ光機 SFX-60X)を設置し，その上にV被削物を固定する．ピック方向を NC フライスの X 方向として Z 軸上に工具傾き角φで高速電動主軸(ナカニシUNR-3060S)を固定し，一定のピックフィード間隔で傾斜面切削を行う．

Piezoelectric stag

加工途中にピエゾステージを駆動して工具を被削物表面から離脱させた後，加工面に残った工具刃先の通過痕のMini NC milling machine

形状を微分干渉型計測器(Zygo)を用いて計測し，各工具回High speed spindle
転角および工具刃先位置に対する切込深さの変化を推定

Ball endmill

する．
W

３．実験結果WorkpieceV� ���� 被削物急速後退による工具刃先通過痕の観測�
表１は本研究で用いた実験条件を示す．この条件下では工具が 180 度回転する間，刃のいずれかの部分が被削物に切り込む角度の範囲は 30 度強となる．ピエゾステージ

UDynamometer

Piezoelectric stage

は約 4msec 以内に被削物を 70µm 後退させることができ
Mini NC milling machine
るため，一枚目の切れ刃による切削が終了してから次の切れ刃が被削物と干渉する 5ms 以内に被削物を切れ刃と干図３� 実験機器の構成渉しない位置まで移動させることが可能となっている．
表１ 実験条件

図４は被削物をピエゾステージによって急速後退した場合に被削物表面に現れる工具刃先の切削痕と，急速後退せずにその場で送りを停止した場合に現れる切削痕をそれぞれ示す．前者においては最後の工具一刃の通過によって転写された被削物表面の形状が明確に見える反面，後者では工具送り停止後の工具回転によって加工面がさらに除去され，円球形状を加工面に押し込んだような切削痕が転写されている．ここで最終的に被削物表面を構成する Aおよびそれに対応する A’の近傍の形状を比較すると，送りの有無により大きな差が生じることがわかる．これは工具一刃あたりの送りが数十 µm 以下となる微小送り条件

Workpiece material
Tool radius [mm]Number of cutting edge
Helix angleof cutting edge[deg.]Type of cut
Tool rotation speed [min-1]
Feed rate [mm/min]
Axial depth of cut [mm]Pickfeed [mm/path]

A2017
2230
Right pickfeed
Right-Forward Tilting
5000
2500.070.07

では，工具刃先の通過軌跡が工具の弾性変形および塑性変形状態における除去プロセスの影響を受け，加工面に大きな削り残しが生じることを示している．
� 図 ５ は そ れ ぞ れ 加 工 条 件 を φ =30deg. ， θ =0deg. ，90deg.，180deg.および 270deg.としたときの切削痕の高さを Zygo で計測し，切削時の工具中心位置を推定して各部分が切削された瞬間の工具回転角を加工面の色で表したものである．工具回転角は工具刃が切削を開始した瞬間を 0deg.として設定している．これらの色が等しい部分はそれぞれ同じ瞬間に創成されたことを表すため，色が変化する方向に切れ刃が通過したと考える事ができる．

- 39 -

図４� 急速後退によって観察される工具刃先通過痕形状

2016 VOL.26

� ���� 工具姿勢による工具刃各位置での切込み深さ変化��

図６および図７は，図５で推定された加工痕各位置の工�

具刃回転角をもとに，工具弾性変位がないと仮定した場合

�の切込深さと実際の除去深さをそれぞれθ =90deg. と�270deg.,およびθ=0deg.と 180deg.のときで可視化したも�のである．後者は図２で示したように，直前の工具刃通過

�

によって与えられた切削痕が，急速後退によって計測され�た形状と工具一刃分の送り量だけずれた位置にあったと�仮定し，その差分を色情報を用いて可視化している．図か�

らは，カスプ底部を切れ刃が通過する B の周囲において，�切込の深さに対して切れ刃はほとんど加工対象物の除去

�を行っていないことがわかる．これは過去に筆者らが推定�してきた誤差の発生形態に近く，加工面の誤差に工具刃先

�による被削物のおしならしと，その際の工具変形が大きく�関与した結果と考えられる．

�3015(a) =90,=30 [deg.]

0[deg.](b) =270,=303015

�

４．結言

(c) =0,=30 [deg.]

�0[deg.](d) =180,=30

�

図５� 工具姿勢における工具切れ刃通過方向の変化

本報告では，ボールエンドミルによる傾斜面切削において工具切れ刃の通過によって与えられる加工痕を急速後退

�

機構を用いた切削実験によって直接計測する手法を開発

�し，工具刃の被削物への切込状態を加工痕形状から推測す�

る手法の開発を行った．傾斜面加工時の実験結果から微小�送り条件では加工後に加工面として残るカッターマーク

� Cutting depth =90,=30 [deg.](a)の底面部の大半が塑性変形状態に相当する除去状態で創�成されており，本来の工具通過位置に対していずれの場合

� Bにおいて大きな削り残しが生じることを明らかにした．

�BB

10(b) Cutting depth =270,=305
B

0[m]
�
(c) Actual removal depth =90,=30 (d) Actual removal depth =270,=30

謝� 辞�

�

本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究開発助成

図６� 工具切れ刃通過時における工具切込深さと実際のにより実施した研究に基づいていることを付記するとと除去深さの相違（θ=90 度および 270 度の場合）
�もに，同財団に感謝いたします．

�参考文献
���

金子順一・堀尾健一郎：���� 年度精密工学会春季大�

会学術講演会講演論文集，����������������(a)� Cutting depth =0,=30 [deg.]

��

�

� B�

��
�

BB

�

15(b) Cutting depth =180,=30

7.5
B

0[m](c) Actual removal depth =0,=30 (d) Actual removal depth =180,=30��

図７� 工具切れ刃通過時における工具切込深さと実際の�除去深さの相違（θ=0 度および 180 度の場合）

��

���

���

�

�

�
�

- 40 -